腸道菌群與腦-腸-腎軸在慢性腎病中的研究進(jìn)展

張秀秀，李晴，曹騰莉，陳丁丁

(中國藥科大學(xué)，江蘇 南京 211198)

在全球，約10%的人受慢性腎臟病的困擾[1]，在美國，每年因?yàn)槟I臟疾病的財(cái)政支出就達(dá)到48億美元[2]。慢性腎病患者一般都患有嚴(yán)重的心血管并發(fā)癥，比如：高血壓、心力衰竭、動(dòng)脈粥樣硬化等。最近的研究表明，慢性腎病患者往往伴隨著神經(jīng)認(rèn)知功能障礙[3]、低級(jí)炎癥、腸道菌群紊亂[4]、腸道屏障功能損壞[5]等。腸道目前被認(rèn)為是一種真正的代謝器官[6]，腸道菌群可以通過多種途徑參與機(jī)體的調(diào)節(jié)過程，共同維持身體的動(dòng)態(tài)平衡。因此，越來越多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)來研究腸道菌群與腦-腸-腎軸在慢性腎臟病的機(jī)制，希望通過調(diào)節(jié)腸道菌群來延緩其進(jìn)展。

1 腸道菌群

一個(gè)健康成人僅腸道內(nèi)就有幾十萬億個(gè)細(xì)菌。腸道菌群有300多萬個(gè)基因，是人類基因組的150倍[7]。根據(jù)與宿主的關(guān)系，腸道菌群大致可以分為三個(gè)大類：有益菌、有害菌和中性菌。

正常的腸道菌群可以保護(hù)腎臟，而在慢性腎病患者中，正常的腸道菌群穩(wěn)態(tài)被打破。Vaziri等[8]通過對(duì)24個(gè)終末期腎病(end stage renal disease,ESRD)患者和12名健康人糞便中的微生物DNA分析發(fā)現(xiàn)，與健康組相比，ESRD患者中190個(gè)細(xì)菌的豐度存在顯著差異。在ESRD患者中，腸桿菌科、鹽單胞菌科、莫拉氏菌科、假單胞菌科和發(fā)硫菌屬等的比例顯著增加。Nishiyama等[9]通過對(duì)5/6腎切除小鼠腸道內(nèi)細(xì)菌16SrRNA分析發(fā)現(xiàn)：在5/6腎切除小鼠中雙歧桿菌屬、別樣棒菌屬、蘇黎世桿菌屬的種類明顯增多，而乳酸桿菌屬、顫螺旋菌屬和未分類的疣微菌科明顯降低。

2 腸黏膜屏障

一般認(rèn)為，腸黏膜屏障由機(jī)械屏障、化學(xué)屏障、免疫屏障和生物屏障共同構(gòu)成。其中機(jī)械屏障由腸道上皮細(xì)胞和其連接復(fù)合物組成，上皮細(xì)胞調(diào)節(jié)溶質(zhì)的被動(dòng)和主動(dòng)跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)，連接復(fù)合物調(diào)節(jié)溶質(zhì)和水的細(xì)胞旁轉(zhuǎn)運(yùn)。腸上皮細(xì)胞間的連接包括緊密連接(tight junction，TJ)、縫隙連接(gapjunction，GJ)及黏附連接(adhesion junction，AJ)等。TJ主要由claudin、occludin等構(gòu)成骨架的結(jié)構(gòu)蛋白與ZOs等傳遞信號(hào)的功能蛋白組成[10]。

正常情況下，腸黏膜屏障可以阻止有害微生物、毒性代謝產(chǎn)物等進(jìn)入血液，而在慢性腎病患者中，黏膜屏障遭到破壞。Vaziri等[11]通過對(duì)尿毒癥大鼠進(jìn)行體內(nèi)研究觀察到，結(jié)腸黏膜中緊密連接蛋白[如claudin 1、occludin和zonula occludens(ZO)-1)]表達(dá)的大幅下降，這表明腎衰大鼠的腸屏障受到明顯損害。Yang等[12]發(fā)現(xiàn)，在CKD小鼠中，結(jié)腸HSP70和claudin 1的表達(dá)量降低，而claudin-2表達(dá)增加并且伴隨著細(xì)胞凋亡增加。除此以外，他們還發(fā)現(xiàn)，盡管調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的百分比在CKD和對(duì)照組小鼠之間沒有差異，但CKD小鼠的結(jié)腸中細(xì)胞因子和CX3CRCR1intermediate:CX3CRCR1high的比例明顯增加。

3 腸-腎軸

自Ritz在2011年的國際透析大會(huì)上提出“腸腎綜合癥”的概念之后，腸道與腎臟之間的聯(lián)系大量被研究，進(jìn)而衍生出“腸-腎軸”理論，此理論認(rèn)為腎臟與腸道的聯(lián)系是雙向的，有一方功能發(fā)生損害都能通過多種途徑影響另外一方的正常功能。腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在其中起重要的作用。

慢性腎衰患者往往存在腎濾過能力的降低，導(dǎo)致尿素在血液中的聚積。尿素彌散到腸道后，在腸道中經(jīng)過細(xì)菌的代謝后產(chǎn)生氨，使腸腔內(nèi)的pH增加，擾亂腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)[13]。腸道穩(wěn)態(tài)時(shí)，結(jié)腸細(xì)胞代謝趨于氧化磷酸化和脂肪酸氧化，使耗氧量升高，由此形成的低氧環(huán)境利于專性厭氧菌的生長，厭氧菌可降解纖維生成短鏈脂肪酸，維持宿主健康。而結(jié)腸代謝狀態(tài)改變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致以兼性厭氧菌增殖為特點(diǎn)的菌群失調(diào)[14]。并且當(dāng)結(jié)腸上皮細(xì)胞長期暴露于尿素中時(shí)，會(huì)破壞結(jié)腸的緊密連接蛋白，使腸道的通透性增加[15]。

腸道菌群紊亂導(dǎo)致菌群代謝產(chǎn)物(如吲哚、TMAO、SCFAs等)的改變而腸道通透性的增加會(huì)使血中的代謝產(chǎn)物增加進(jìn)而加速腎損傷及并發(fā)癥的進(jìn)展。

硫酸吲哚酚(indoxyl sulfate，IS)是色氨酸經(jīng)過腸道桿菌屬分解后經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生并經(jīng)腎臟排泄的代謝產(chǎn)物，在慢性腎病中會(huì)不斷積累，并可以與蛋白質(zhì)結(jié)合，損傷腎小管上皮細(xì)胞，導(dǎo)致腎間質(zhì)纖維化[16]。單核細(xì)胞上的芳烴受體(AhR)受到IS刺激后分泌TNF-α，血管內(nèi)皮細(xì)胞在TNF-α刺激下產(chǎn)生大量CX3CL1，其與CD4+CD28-T細(xì)胞上高度表達(dá)的受體結(jié)合后向內(nèi)皮細(xì)胞聚集，導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷進(jìn)而加重腎臟并發(fā)癥[17]。

慢性腎病患者血液中氧化三甲胺(TMAO，膽堿的代謝產(chǎn)物)的水平升高，具有較高血漿TMAO水平的患者死亡風(fēng)險(xiǎn)增加2.8倍[18]。Li等[19]發(fā)現(xiàn)TMAO可能通過增加血管氧化應(yīng)激和炎癥來減少eNOS介導(dǎo)的NO產(chǎn)生，從而導(dǎo)致CKD相關(guān)的內(nèi)皮功能障礙和心血管疾病。

此外，慢性腎病患者由于飲食干預(yù)、抗生素應(yīng)用等導(dǎo)致腸道中益生菌代謝產(chǎn)物--短鏈脂肪酸(SCFAs)的減少，SCFAs的減少除了能激活全身和組織炎癥外，也能降低結(jié)腸嗜鉻細(xì)胞中色氨酸羥化酶1的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而減少5-HT的合成[20]。體內(nèi)5-HT可參與腸道動(dòng)力、免疫反應(yīng)及情緒等的調(diào)節(jié)。

除了菌群代謝產(chǎn)物外，來自腸道細(xì)菌的內(nèi)毒素例如脂多糖(LPS)，可通過與Toll樣受體4/MD-2形成復(fù)合物，刺激免疫細(xì)胞，尤其是巨噬細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞被激活，啟動(dòng)先天免疫應(yīng)答并分泌多種促炎細(xì)胞因子(TNF-α、IL-1β等)，導(dǎo)致全身炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激加重[21-22]。

4 慢性腎病中的認(rèn)知和情緒改變

最近越來越多的研究表明，腎衰患者常伴隨著認(rèn)知功能的下降，并且容易產(chǎn)生抑郁和焦慮。Murray等[23]通過對(duì)338位55歲及以上的透析患者進(jìn)行記憶、執(zhí)行能力和語言表現(xiàn)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，只有12.7%的人有正常的認(rèn)知功能，13.1%有輕度損傷，36.1%中度損傷，37.3%有嚴(yán)重?fù)p傷。Palmer等[24]發(fā)現(xiàn)，慢性腎病(1～5期混合)患者中有26.5%出現(xiàn)抑郁。慢性腎病抑郁患者整體生活質(zhì)量較差，eGFR下降速度明顯加快，并且住院和死亡風(fēng)險(xiǎn)較高。然而，腎衰導(dǎo)致認(rèn)知功能與抑郁的具體機(jī)制還不確定，目前有以下幾種假說。

4.1 炎癥假說 有研究者認(rèn)為炎癥介導(dǎo)的心血管疾病可能是導(dǎo)致腎病患者抑郁癥死亡的一部分原因。眾所周知，腎衰患者中的促炎細(xì)胞因子，尤其是IL-6和腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的循環(huán)水平顯著升高，炎癥的增加會(huì)導(dǎo)致多種血管疾病。而許多研究發(fā)現(xiàn)，重度抑郁癥患者中IL-6與TNF-α的循環(huán)水平也會(huì)顯著增高[25]。此外，在重復(fù)注射重組細(xì)胞因子的患者中觀察到抑郁情緒和行為，包括悲傷和自殺意念[26]。一項(xiàng)文獻(xiàn)綜述表明[27]，在慢性腎病和透析患者中，抑郁癥狀和炎性細(xì)胞因子水平升高并存，其關(guān)聯(lián)性尚不確定。與這些患者中的其他細(xì)胞因子相比，抑郁癥似乎與血清IL-6水平有更高的相關(guān)性。需要進(jìn)一步的研究來闡明在慢性腎病和透析患者中炎癥和抑郁癥狀之間存在因果關(guān)系的可能性。

4.2 代謝毒素假說 尿毒癥毒素的積累可能會(huì)導(dǎo)致腦內(nèi)皮功能損傷，并導(dǎo)致慢性腎病的認(rèn)知障礙。目前，色氨酸-犬尿氨酸的代謝失調(diào)在認(rèn)知障礙中的作用被廣泛研究。在初級(jí)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，IS增加了AhR和NF-kB核轉(zhuǎn)位并降低了Nrf2易位和HO-1表達(dá)；此外，IS可以以劑量依賴性方式誘導(dǎo)神經(jīng)元中的細(xì)胞死亡[28]。小鼠注射IS(800 mg·kg-1)能誘導(dǎo)組織學(xué)變化并增加腦組織中COX-2表達(dá)和硝基酪氨酸形成[28]。上述結(jié)果顯示IS能促進(jìn)神經(jīng)毒性的產(chǎn)生，并且它還可能在神經(jīng)退行性疾病中具有潛在作用。

此外，在尿毒癥患者中，負(fù)責(zé)認(rèn)知功能的大腦區(qū)域中某些胍類化合物的含量顯著升高[29]。這些胍類化合物是神經(jīng)興奮劑，且在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中具有驚厥活性，因此猜測(cè)慢性腎病患者的認(rèn)知與情緒功能異?？赡芘c這些胍類化合物有關(guān)。

5 腦-腸-腎軸

目前，大量的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)闡述了腦與腸道、腎與腸道之間的關(guān)系，但腦-腸-腎三者之間的相互作用還未被廣泛研究。Yang等[30]第一次證明了腦-內(nèi)臟-骨髓軸對(duì)血壓升高的影響，并將這一作用擴(kuò)展到腦-腸-腎軸的概念，而且提出了以下基于腦-腎-腸軸的慢性腎病發(fā)病機(jī)制假說。

慢性腎病相關(guān)的刺激信號(hào)在大腦自主區(qū)域被感知并整合，大腦中負(fù)責(zé)交感神經(jīng)傳出的區(qū)域中持續(xù)的小膠質(zhì)細(xì)胞激活導(dǎo)致血壓升高和一系列的瀑布效應(yīng)。骨髓中交感神經(jīng)活性的增加會(huì)過度激活骨髓中的炎癥系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致低級(jí)全身系統(tǒng)炎癥，并導(dǎo)致骨髓中用于血管、腸和腎修復(fù)的多能干細(xì)胞的產(chǎn)生減少。骨髓中的免疫細(xì)胞也能被腸道中的微生物群激活并進(jìn)入循環(huán)，這些細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致腸道和腎臟的炎癥。由于腸道和腸道微生物之間的密切聯(lián)系，腸道局部黏膜免疫也受到腸道環(huán)境的調(diào)節(jié)。腸道內(nèi)菌群的紊亂與腸交感神經(jīng)的刺激會(huì)導(dǎo)致腸道內(nèi)一系列的損傷，如腸壁通透性的增加、腸黏膜炎癥增加與上皮細(xì)胞的異常表觀遺傳修飾等等。腸道的損傷又進(jìn)一步導(dǎo)致血中代謝毒物的增加，血中代謝產(chǎn)物的變化會(huì)對(duì)包括心、腎、腦在內(nèi)的多種器官有損傷。此外，大腦自主區(qū)域感知的信號(hào)也能直接激活腎交感神經(jīng)，激活的腎交感神經(jīng)能直接影響腎臟的生理功能。腎損傷時(shí)腎小球?yàn)V過率(GFR)的降低，又會(huì)使血液中毒素增加。因此，腸-腎-腦三者可通過交感神經(jīng)、免疫、代謝等多種途徑相互作用，加快慢性腎病進(jìn)展并產(chǎn)生多種并發(fā)癥[30]。

6 潛在治療策略

6.1 飲食干預(yù) 臨床上，多數(shù)的慢性腎病患者被建議增加富含纖維、維生素等食物的攝入。一項(xiàng)Meta分析發(fā)現(xiàn)[31]，膳食纖維補(bǔ)充劑顯著降低慢性腎病患者體內(nèi)血清尿素和肌酐水平。Lu等[32]發(fā)現(xiàn)每天攝入纖維量>25 g的慢性腎衰患者可以延緩eGFR的降低，降低炎癥因子、硫酸吲哚酚和血清膽固醇的水平并且與心血管風(fēng)險(xiǎn)負(fù)相關(guān)。

6.2 益生元與益生菌 由于慢性腎病患者腸道內(nèi)常出現(xiàn)有益菌群的減少，所以推測(cè)增加腸道內(nèi)的益生菌可以改善腸道菌群紊亂，從而減輕全身炎癥反應(yīng)。益生元(如菊粉、低聚果糖、抗性淀粉等)在腸道內(nèi)可作為菌群的能量來源，針對(duì)性的促進(jìn)部分有益菌群的生長。

抗性淀粉(resistant starch，RS)是一種典型的膳食纖維，它可以作為腸道菌群的代謝底物，來調(diào)節(jié)腸道菌群。Tayebi Khosroshahi等[33]通過連續(xù)8周對(duì)接受血液透析的慢性腎病患者補(bǔ)充HAM-RS2(高直鏈抗性淀粉)后發(fā)現(xiàn)，血液透析患者中炎癥因子和氧化產(chǎn)物的水平顯著降低。Haghighat等[34]發(fā)現(xiàn)，血液透析患者連續(xù)服用益生菌12周后可降低血清ICAM-1水平。

6.3 代謝物的調(diào)節(jié) 尿毒癥毒素在慢性腎病導(dǎo)致的腸道菌群紊亂及腸黏膜上皮屏障功能受損中起重要作用，因此一些降低毒素水平的措施可以改善慢性腎病患者的臨床癥狀。AST-120是一種由多空隙的碳材料構(gòu)成的微球，有強(qiáng)大的吸附能力，可吸附腸道內(nèi)的吲哚產(chǎn)物，從而降低血清中IS的含量，改善腸黏膜上皮損傷[35]。

7 總結(jié)

腸道菌群在體內(nèi)數(shù)目龐大，且參與多種器官的調(diào)節(jié)。慢性腎衰患者中，腸道菌群出現(xiàn)紊亂，腸道黏膜屏障功能下降，使血液中的代謝毒物增加，引發(fā)全低級(jí)炎癥，進(jìn)而加重腎臟損傷并導(dǎo)致心血管疾病等一系列并發(fā)癥。另外，腎衰也會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙，其或許與腦-腸-腎軸中的腸道菌群紊亂、炎癥增加、血管損傷、代謝毒物的增多有關(guān)。越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群的調(diào)節(jié)在慢性腎衰的治療中是一個(gè)極其重要的靶點(diǎn)。我們還需要更多的實(shí)驗(yàn)來探究腸-腎-腦軸的具體作用機(jī)制，也需要更多的臨床實(shí)驗(yàn)來證實(shí)腸道菌群的調(diào)節(jié)在腎衰患者中的治療作用。